Молекулярные механизмы врожденного иммунного ответа презентация

ЛЕКЦИЯ 2



МОЛЕКУЛЯРНЫЕ МЕХАНИЗМЫ
ВРОЖДЕННОГО ИММУННОГО ОТВЕТА

ОКРУЖЕНЫ ПАТОГЕНАМИ!

Патогены – микроорганизмы, которые могут вызвать заболевание или разрушить ткани человека и животных.

Существует пять типов патогенов:

Пять типов патогенов:

- бактерии
вирусы
грибы
простейшие
гельминты

паразиты

Пять типов патогенов:

- бактерии
вирусы
грибы
простейшие
гельминты

паразиты

Механизмы повреждения организма-хозяина

- Экзотоксины, активно секретируются бактерией (столбняк, ботулизм, дифтерия)
- Эндотоксины, образуются при разрушении бактерии (LPS)
- Прямое цитопатическое действие
- Опосредованное повреждение клеток хозяина (иммунные комплексы повреждения почек; антитела, перекрестно реагирующие с собственными тканями)

Пять типов патогенов:

- бактерии
вирусы
грибы
простейшие
гельминты

паразиты

внеклеточные внутриклеточные


оба вида иммунного ответа в основном, адаптивный – цитотоксические Т-кл.
+ NK клетки врожденного ответа
+ активированные макрофаги

механизмов

в отличие от приобретенных, начинают действовать немедленно после попадания инфекционного агента (время реакции - 3-4 часа).

Не является антиген-специфичным, но специфичен в отношении целой группы патогенов. Pattern-recognition molecules

Рецепторы врожденного иммунитета кодируются неперестроенными «зародышевыми» генами (germline), отсутствуют соматическая рекомбинация ДНК и соматический гипермутагенез, определяющие разнообразие антигенных рецепторов при адаптивном иммунном ответе.

Может эффективно отличать «свое» от «чужого», реагируя на общий рисунок (pattern) патогена и индуцировать адаптивный иммунный ответ.

Иммунологическая память отсутствует

Адаптивный иммунный ответ, «вторая линия защиты», включается, если врожденные механизмы недостаточны для сдерживания и элиминирования патогена

Клетки врожденного иммунитета:



Дендритные клетки

Моноциты/макрофаги фагоциты

Гранулоциты


Лимфоидные клетки врожденного иммунитет – NK клетки, γδТ клетки, В-1 клетки.

(дыхательные пути, желудочно-кишечный тракт, половые пути)

Повреждения эпителия – ворота инфекции.
В отсутствие повреждений - патоген проникает внутрь, адсорбируясь, колонизируя и затем разрушая поверхностные слои эпителия.

Эпителиальный барьер:
Физический
- Химический
Микробиологический

прилегание клеток, не позволяет бактериям, простейшим и паразитам проникнуть внутрь клетки.

Десмосома (от desmos –связь)– тип клеточного контакта, обеспечивающий прочное соединение клеток. Белки клеточной адгезии, формирующие десмосомы — десмоглеин или десмоколлин (семейство кадгеринов), взаимодействуют друг с другом (гомофильное соединение) и через внутриклеточный белок десмоплакин соединяются с промежуточными филаментами цитоплазмы клетки (кератин кожи). Через десмосомы кератиновая сеть отдельных клеток кожи объединяется в единую прочную структуру.

Аутоантитела к десмоглеину



Заболевание «пемфигус» или «пузырчатка» –
нарушение целостности кожи, инфицирование ран
прогноз неблагоприятный

слизистых оболочек (слизистый эпителий) секретирует слизь (mucus), которая содержит гликопротеины, называемые муцины (mucins). Микроорганизмы, погруженные в слизь, подхватываются ее потоком, что предотвращает их взаимодействие в клетками эпителия.

Недостаток слизи в дыхательных путях Частые легочные инфекции .

Недостаток перистальтики кишечника Частые кишечные инфекции из-за размножения бактерий в просвете кишечника

патогенной флорой за пищу и поверхность + может продуцировать антимикробные вещества (колицин, вырабатываемый Escherichia coli или молочная кислота вагинальных лактобактерий).


Антибиотик Убиваем нормальную флору Преимущество для патогенной флоры

ЭПИТЕЛИАЛЬНАЯ ТКАНЬ – ХИМИЧЕСКИЙ БАРЬЕР

Низкие значения pH желудка и пищеварительные ферменты верхних отделов кишечника.
Антимикробные белки эпителиальных клеток и фагоцитов: лизоцим и секреторная фофолипаза А2 (секретируемые белки слюны и слез, фагоцитов, клеток Панета в кишечнике ). Лизоцим – фермент гликозидаза, специфически разрушающий химическую связь между сахарами в пептидогликане, компоненте бактериальной стенки.

С какими бактериями (Gram+ или Gram-) лучше справляется Лизоцим?

лизоцим


Секреторная
фосфолипаза
А2

фосфолипаза А2

Фермент, гидролизует фосфолипиды клеточной мембраны бактерий.

ЭПИТЕЛИАЛЬНАЯ ТКАНЬ – ХИМИЧЕСКИЙ БАРЬЕР

Антимикробные пептиды –наиболее древняя форма защиты от инфекций, эволюционно консервативны. Дефензины, (англ. «defense»), короткие пептиды 18-45 а.к., положительно заряженные белки, убивающие бактерий, разрушают их отрицательно заряженную клеточную мембрану. Дефензины действуют быстро (минуты), разрушают клеточную мембрану бактерий, грибов, оболочку некоторых вирусов. α-дефензины вырабатываются конститутивно клетками Панета (криптидины)в кишечнике и нейтрофилами, β-дефензины (кожа и респираторный тракт, лейкоциты)

α-дефензин: a) в клетках Панета крипты кишечника, b) и c) в апикальных гранулах, готовых к секреции в люмен кишечника, d) в гранулах нейтрофила. β-дефензин: e) в почечных канальцах, f) в бронхах, видно окрашивание слизи, содержащей β-дефензин.


Michael E Selsted & Andre J Ouellette, Nature Immunology, 2005

Arabidopsis – 13 разных дефензинов
Drosophila – 15
Человек, клетки Панета - 21

и гидрофильный участок.

Взаимодействуют с отрицательно заряженной мембраной бактерии, внедряются в нее и образуют в ней поры.

не разрушить себя -

синтезируются в организме как про-пептиды и требуют расщепления протеазой для образования активной формы. Активная форма α-дефензина в нейтрофилах хранится в первичных гранулах – ограниченных мембранах везикулах, которые
затем сливаются с фагосомой и переваривают ее содержимое.
Активная форма α-дефензина клеток Панета
(криптидина) у человека образуется при расщеплении
про-пептида трипсином перед секрецией в
просвет кишечника, в клетках содержится в гранулах.







Такая форма активации – особенность еще одного участника врожденного иммунитета – СИСТЕМЫ КОМПЛЕМЕНТА

воспаления и стимуляции клеток адаптивного иммунного ответа, направленного на те же самые микробы: в основном, хемоаттрактанты для тучных клеток, моноцитов, Т клеток, а также стимулируют размножение клеток эпителия и васкуляризацию.



Michael E Selsted & Andre J Ouellette, Nature Immunology, 2005

эпителиального барьера многие патогены немедленно распознаются, захватываются и убиваются фагоцитами.


ФАГОЦИТЫ. КТО ОНИ?

ФАГОЦИТЫ. КТО ОНИ?
Два основных типа фагоцитов - ключевые клетки врожденного иммунного ответа.

Тканевые макрофаги или Мононуклеарные фагоциты. Обычно в соединительной ткани ЖКТ, легких, вдоль кровеносных сосудов печени (клетки Купфера), в селезенке (удаляют стареющие эритроциты и апоптотические клетки). Встречают патоген первыми, позже рекрутируют нейтрофилы в места инфекции. Долгоживущие, могут образовывать новые лизосомы, переживают несколько раундов фагоцитоза.

Нейтрофилы или Полиморфноядерные нейтрофильные фагоциты.
Короткоживущие клетки крови, в здоровых тканях обычно отсутствуют. Рекрутируются в большом количестве к местам воспаления. После одного раунда фагоцитоза погибают, образуя гной.

делают?
Распознают – с помощью поверхностных рецепторов, отличающих поверхность патогена от собственных клеток – паттерн-распознающих рецепторов
Элиминирут - с помощью фагоцитоза.

CD14 – маркер моноцитов и макрофагов

ВОСПАЛЕНИЕ

Макрофаги распознают патоген с помощью трех основных рецепторов

Липопротеины низкой плотности

LPS- липополисахарид, основной компонент стенки Gram- бактерий

Результат – элиминация патогена + индукция воспаления

Активация макрофагов


Секреция цитокинов и других медиаторов



Начало воспаления в тканях, рекрутирование нейтрофилов и сывороточных белков

Активированные патогеном МАКРОФАГИ секретируют цитокины и липидные медиаторы воспаления

Липидные медиаторы воспаления: простагландины, лейкотриены, platelet-activating factor

Цитокины и хемокины (TNF-α и др.)

и клетки к месту инфекции для обеспечения поддержки макрофагам в уничтожении микроорганизмов.
Обеспечить физический барьер и не допустить распространение инфекции по всему организму.
Облегчить восстановление поврежденных мест (не иммунологическая роль).

ВОСПАЛЕНИЕ (развивается в течение минут после проникновения патогена)

Начинается с цитокинов и липидных медиаторов воспаления, которые секретируют активированные патогеном макрофаги в местах инфекции.

Признаки: боль, краснота, жар, отек места инфекции.
dolor, rubor, calor, tumor

Изменения в локальной системе кровоснабжения:
1.Увеличение просвета в локальных сосудах, усиление локального кровотока, замедление скорости кровотока.

2.Экспрессия клетками эндотелия молекул адгезии, что позволяет лейкоцитам мигрировать из крови в ткани и усиливать иммунный ответ. Первые – нейтрофилы, потом моноциты, дифференцирующиеся в тканях в макрофаги, потом эозинофилы и лимфоциты.

3. Увеличение проницаемости сосудов за счет уменьшения сцепления между клетками эндотелия, выход жидкости и белков из сосудов в ткани, отек.

выход сывороточных белков в воспаленную ткань

Ферментативный каскад системы коагуляции плазмы крови

Формирование тромба и предотвращение распространения инфекции

Если повреждаются кровеносные сосуды:

сывороточных белков, которые дополняют антитела в опсонизации бактерий и помогают антителам убивать эти бактерии. Т.е. активность белков комплемента ДОПОЛНЯЕТ антимикробную активность антител (эффекторное звено В-клеточного приобретенного иммунного ответа). НО: Комплемент появился в эволюции как часть врожденного иммунитета, может активироваться в отсутствие антител и может обеспечивать защиту на ранних стадиях инфекции, когда антитела еще не появились.

Опсонизация – процесс адсорбции опсонинов (антител или белков комплемента) на поверхности патогенов, что стимулирует и облегчает их фагоцитоз (амплификация сигнала).
Белки системы комплемента – это большой набор (•30) белков плазмы крови (синтезируются в печени), в отсутствии инфекции – в неактивной форме. Инфекция приводит к активации системы комплемента, белки системы последовательно реагируют один с другим для того, чтобы убить патоген непосредственно или его опсонизировать и облегчить фагоцитоз и индуцировать воспалительную реакцию.

Ряд белков системы комплемента – зимогены, протеазы, которые синтезируются в неактивной форме про-ферментов и активируются при отщеплении части молекулы, они последовательно активируют друг друга. Каскад зимогенов амплификация сигнала активации – как лавина, как система коагуляции крови.

рецептор.

КОМПЛЕМЕНТА – Эффекторные механизмы и результат одни и те же

Каскад комплемента активируется на поверхности патогена.

Эффекторные механизмы

Номенклатура белков системы комплемента.

Белки классического пути открыты первыми – буква «С» с номером.
Номера компонентов комплемента (С1 и далее) присвоены в порядке их открытия и описания.
Вступают в реакции активации комплемента по классическому пути в следующем порядке:
С1q, C1r, C1s,C4, C2, C3, C5, C6, C7, C8, C9.

Многие из них – проферменты, образующие активные формы при отщеплении части молекулы.

Продукты расщепления : a (С3a) – меньший фрагмент, обычно медиатор воспаления
b (С3b) - больший фрагмент, связывается ковалентно с
поверхностью патогена. Исключение - C2a (больший) и C2b (меньший).
Еще одно исключение: С1q, C1r, C1s – не продукты расщепления С1, а отдельные белки, составляющие вместе С1.

Белки альтернативного пути – факторы B , D, продукты расщепления (a, b), Bb – больший фрагмент, Ba – меньший фрагмент

белков, которые взаимодействуют с патогенами, чтобы уничтожать их непосредственно или маркировать их для уничтожения фагоцитами

Каскад комплемента активируется на поверхности патогенов: C1q (классический путь) связывается с поверхностью патогена, лектин (лектиновый путь) связывается с маннозой бактерий и вирусов, компонент комплемента C3b, образованный в результате спонтанного гидролиза С3 ковалентно связывается с поверхностью патогена и активация системы комплемента идет по альтернативному пути. В середине – образование протеазы «С3 конвертаза» – мультисубъединичные С4bC2a или C3bBb

Ключевой элемент системы комплемента С3 (1-2 мг/мл в плазме крови)

С1q

распознает константные области IgM и IgG, образовавших комплекс
с антигеном, и т.о. может участвовать
в элиминации патогена (адаптивный иммунитет)

может связываться с поверхностью определенных патогенов и запускать
активацию комплемента в отсутствие антител (врожденный иммунитет)

С1 комплекс состоит из распознающего белка C1q (сенсор патогена) и ассоциированных с ним протеаз C1r (2 молекулы) и C1s (2 молекулы). С1q связывается с ИГ или непосредственно с поверхностью патогена , что вызывает изменение конформации и последовательную активацию C1r, которая расщепляет C1s, генерируя активную протеазу.

Комплекс C1 - - рис.

С4 и С2.
Классический путь активации комплемента генерирует С3 конвертазу (комплекс С4b,C2a, ковалентно связанный с поверхностью патогена), которая осаждает большое количество молекул С3b на поверхности патогена.

С3a инициирует местный воспалительный процесс

комплемента, ведущий ко всем эффекторным активностям системы комплемента:

C3b ковалентно связывается с поверхностью патогена и служит опсонином, помогая фагоцитам, у которых есть рецепторы к C3b, захватить и уничтожить бактерий, покрытых C3b.

C3b, объединяясь с С3-конвертазами, может формировать мультисубъединичную С5 конвертазу, которая расщепляет С5 на C5a и C5b. C5b участвует в образовании membrane attack complex на поверхности микробной мембраны, что приводит к образованию пор и лизису бактерии

С3a и С5a – медиаторы воспаления, рекрутируют фагоциты к местам инфекции

С3b (и C4b) ковалентно связывается с поверхностью патогена за счет тиоэфирной связи, которая «спрятана» в С3 и высвобождается при его расщеплении С3-конвертазой и отщеплении С3a. Если патогена не находится, и связь не образуется, то С3b (и C4b) довольно быстро инактивируется.

Общий принцип – активация комплемента ограничена поверхностью патогена, где она началась.

lectin), или белок фиколин, очень похожие на C1q, специфически связывается с остатками маннозы, фукозы или некоторых других сахаров бактерий. В мембранах клеток позвоночных эти сахара прикрыты другими сахарами и недоступны для MBL. В плазме крови MBL образует комплекс с MBL-associated serine proteases MASP1 и MASP2.

MASP1 и MASP2 – протеазы, близкие гомологи C1r и C1s. MBL присутствует в крови в очень низкой концентрации, его продукция печенью резко возрастает в острой фазе иммунного ответа. Дети с недостатком MBL (мутации в MBL2 gene) страдают от инфекций. Инфекции – основная причина смерти при пересадке печени. MBL терапия – в/в введение MBL , полученного из донорской крови. Главное – не переборщить, угроза – аутоиммунный эффект.

MBL

С3b,Bb
2. способность спонтанно активироваться
3. амплификация С3b

Два пути активации альтернативного пути.

1. С3b, образованный в результате классического или лектинового пути, связывается ковалентно с поверхностью патогена. C3b связывает фактор В, который расщепляется фактором D на Bb на Ba. Комплекс С3bBb – C3 конвертаза, слабо связан с поверхностью патогена, для усиления связи – белок Пропердин (Factor P). Пропердин связывается как с бактериальной поверхностью, так и с С3b.

системы комплемента. 80%-90% активации комплемента идет именно по альтернативному пути со спонтанным гидролизом С3.
Гидролиз С3 – спонтанный, начало альтернативного пути не зависит от связывания с поверхностью патогена специального патоген-связывающего белка (С1q –классический путь, MBL – лектиновый путь). Идет в плазме крови. Уровень С3 (1-2 мг/мл) высок, поэтому «на холостом ходу» (tickover) в плазме крови всегда производится небольшое количество гидролизованного С3 – iC3, который связывает фактор В, который фактором D расщепляется до Bb и образуется короткоживущая жидкофазная С3 конвертаза iC3Bb, которая расщепляет С3 на С3a и C3b. Большая часть жидкофазного C3b инактивируется гидролизом, меньшая часть может связаться ковалентно с поверхностью патогена и образовать там конвертазу альтернативного пути C3bBb (см. далее).

С3bBb.

поверхностью и одновременно с С3b, стабилизирует С3 конвертазу. Результат – еще больше молекул С3b на поверхности. Позитивная регуляция

Если комплекс C3b,Bb садится на поверхность клеток человека, он инактивируется белками этих клеток, регулирующими комплемент: рецептор комплемента 1 (CR1), decay-accelerating factor (DAF), membarne cofactor of proteolysis (MCP). Клетки человека притягивают также фактор H из плазмы. CR1, DAF и фактор H способствуют отсоединению Bb от C3b, далее CR1, MCP и фактор H катализируют расщепление C3b фактором плазмы I и превращения его в инактивированную форму. Негативная регуляция

точка, где сходятся все пути активации комплемента

В середине – образование протеазы С3 конвертазы (мультисубъединичные С4bC2a или C3bBb) и осаждение большого количества C3b на поверхности патогена. Удаление патогена – непосредственное, через образование С5 конвертазы и лизис, и опосредованное – через рецепторы к комплементу на фагоцитах и фагоцитоз.

Ключевой элемент системы комплемента С3 (1-2 мг/мл в плазме крови)

С1q

С4bC2a C3bBb

C4b, C2b - конвертаза классического и лектинового пути, C3b,Bb – конвертаза альтернативного пути. Главный результат активации комплемента – локализация на поверхности патогена большого количества C3b. Следующие этапы в этом каскаде (все пути активации комплемента) - индукция активности С5 конвертазы, сборка компонентов ТСС (terminal complement components) в membrane attack complex (MAC), образующий поры диаметром 100 А в мембране бактерии.

В составе комплексов -С5 конвертаз:
С4bС2aC3b/C3b2Bb

оба растворимы

чувствительность к некоторым инфекциям: дефицит компонентов С5-С9 у человека приводит к повышенной чувствительности к видам Neisseria, вызывающих гонорею и ряд форм бактериальных менингитов.

Но:
Биологическая значимость непосредственного действия поздних компонентов компонентов комплемента на бактерии в организме человека ограничена.

Опсонизация и провоспалительное действие более ранних компонентов каскада комплемента имеет гораздо большее значение в защите организма человека от инфекций.
Поэтому:
Дефицит C3 или молекул, стимулирующих осаждение C3b на поверхности патогена подверженность внеклеточным бактериальным инфекциям.

клетками. Это происходит после специфического распознавания фагоцитами патогенов , опсонизированных компонентами комплемента. Опсонизация – главная функция C3b, в меньшей степени - C4b.


Переваривание фагоцитами патогенов, меченых комплементом, опосредуется рецепторами на фагоцитах, «узнающими» и связывающих белки комплемента – complement receptors (CRs).

ответ), рецептор к вирусу Эпштейна-Барра

Рецепторы к анафилатоксинам, усиливают воспалительный процесс

Наиболее важны в индукции фагоцитоза
опсонизированных бактерий

С3b и iC3b (продукт гидролиза С3b) – центральная роль в опсонизации и разрушении внеклеточных патогенов

Интегрины

присутствие анафилотоксина C5a и рецептора к C5a

+ phagocytosis

Усиливают сокращение гладкой мускулатуры
Увеличивают проницаемость сосудов
C5a/C3a- индуцируют экспрессию рецепторов клеточной адгезии на эпителии сосудов и усиливают миграцию клеток из крови
C3a/C5a – активируют тучные клетки и заставляют их выбрасывать TNF-α и гистамин
Результат: рекрутируются антитела, комплемент и фагоциты к месту воспаления, усиливается миграция АГ-презентирующих клеток к местному лимфоузлу.
C5a может действовать напрямую на нейтрофилы и макрофаги, усиливая их миграцию и фагоцитарную активность

КОМПЛЕМЕНТ.

Система белков плазмы крови, которые активируются непосредственно патогеном или опосредованно – антителами, связанными с патогеном. Далее – каскад реакций на микробной поверхности, который приводит к появлению активных компонентов с разными эффекторными функциями.
Три пути активации комплемента. Общая ступень – образование протеазы С3-конвертазы, который расщепляет С3 с образованием активного компонента комплемента С3b.
Связывание большого количества C3b с поверхностью патогена – центральное событие в системе активации комплемента, имеет два последствия: 1) С3b распознается рецепторами к комплементу на поверхности фагоцитов, которые затем поглощают опсонизированный патоген, 2) приводит к образованию membrane-attack complex на поверхности патогена и его самоуничтожению.
Небольшие фрагменты расщепления С3a, С4a и С5a инициируют местное воспаление и рекрутируют фагоциты к местам инфекции.